CN111987577B - 一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器 - Google Patents

一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器 Download PDF

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Abstract

重复频率灵活倍增的全光纤激光器，所述激光器由一个锁模光纤激光振荡器(a)与一个基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块(b)构成；其中锁模光纤激光振荡器先输出一定重复频率的稳定锁模脉冲，并通过光纤跳线头对准的方式注入基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块，在倍增模块中的色散可调谐光纤器件中激发时域泰伯效应实现重复频率倍增；重复频率倍增模块由光纤环形器(5)与色散可调谐光纤器件(6)构成，锁模光纤激光振荡器输出的超短脉冲从光纤环形器1号口输入，2号口输出并注入色散可调谐光纤器件，激发色散介质中的时域泰伯效应实现激光器重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲最终从环形器3号口输出。

Description

一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器
技术领域
本发明是一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器，尤其是一种基于时域泰伯(Talbot)效应的重复频率倍增超快光纤激光器。属于光纤激光技术领域。
背景技术
光纤激光器由于具有转换效率高、散热性能良好、结构紧凑、价格低廉的优势，使其在光通信、生物医学、科学研究以及军事领域都有很大的应用前景。自高锟证明了光纤通信的可行性以来，光纤通信技术迅速发展。相比于传统电缆以及微波通信的传输方式，光纤可以作为理想的信号传输媒质，具有极低的传输损耗，较轻的重量，抗电磁干扰，且具有极大的信号传输容量，已成为世界通信中主要传输方式。随着超大容量光纤通信、超快光信号处理技术的快速发展，许多领域需要超快激光器具备窄脉宽与重复频率可调的特性。因此，高重复频率且重复频率可调的超快光纤激光器是近年来激光研究领域的热点之一。锁模技术是一种常见的实现稳定脉冲输出的技术手段。原理是将激光器中不固定相位和振幅的模式调整为频率间隔保持一定、具有确定的相位关系的模式。相比于增益调制技术与调Q技术，基于锁模技术的激光器输出脉冲脉宽可压缩至ps到fs量级、峰值功率可高达到kW量级。但是，受限于光纤激光器必要的腔长，锁模光纤激光器的重复频率通常在几十兆到百兆赫兹量级。通过锁模技术直接获得高达百吉赫兹重复频率的锁模脉冲仍较为困难，往往需要重复频率倍增技术将重复频率进一步提升一个数量级。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器，该激光器采用一个锁模光纤激光振荡器作为种子源结合基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块，通过调整色散可调谐光纤器件色散与种子源锁模脉冲周期比例关系，最终实现重复频率兆赫兹至百吉赫兹可调的稳定超快锁模脉冲输出。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器，该激光器由一个锁模光纤激光振荡器(a)与一个基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块(b)构成一个重复频率兆赫兹至百吉赫兹可调的全光纤超快锁模激光器；其中锁模光纤激光振荡器(a)先输出一定重复频率的稳定锁模脉冲，并通过光纤跳线头对准的方式注入基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块(b)，在倍增模块中的色散可调谐光纤器件中激发时域泰伯效应实现重复频率倍增；重复频率倍增模块(b)由光纤环形器(5)与色散可调谐光纤器件(6)构成，锁模光纤激光振荡器输出的超短脉冲从光纤环形器1号口输入，2号口输出并注入色散可调谐光纤器件(6)，激发色散介质中的时域泰伯效应实现激光器重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲最终从环形器3号口输出；
通过调整重复频率倍增模块(b)中色散介质色散量，或调整色散可调谐光纤器件色散与锁模脉冲周期比例关系可实现激光器重复频率倍增系数N(N＝1，2，3……)灵活调控。最终获得重复频率灵活倍增的全光纤超快锁模脉冲输出。重复频率倍增模块中的光纤色散介质的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器输出脉冲周期T需满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000021
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数。
锁模光纤激光振荡器(a)由泵浦源(1)，增益光纤(2)，锁模器件(3)和输出耦合器(4)依次连接构成；
锁模光纤激光振荡器(a)可选为主动谐波锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器与混合锁模光纤激光器等常见的超快锁模光纤激光器。
重复频率倍增模块中的色散可调谐光纤器件(6)优选线性啁啾光纤光栅或相应长度的色散光纤。通过调整色散可调谐光纤器件的色散介质色散量与锁模脉冲周期比例关系可实现激光器重复频率倍增系数N(N＝1，2，3……)调控。
重复频率倍增模块中的色散可调谐光纤器件(6)的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器(a)输出脉冲周期T满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000022
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数。该系统重复频率倍增上限主要受限于种子脉冲脉宽与脉冲强度。
其中色散光纤主要引入的为色度色散，可通过剪切光纤长度调整色散；线性啁啾光纤光栅通过在光纤中刻入间距线性变化的光栅可以使得不同波长的光在光栅中不同的地方达到反射极大，这样就在每条谱线上引入了一个和波长相关的时间偏移量，也就是不同的相位差。线性啁啾光纤光栅的色散量通常为固定值。
泰伯效应是一种空间自成像效应，泰伯效应分为空域泰伯效应与时域泰伯效应。光纤中忽略了高阶色散和非线性效应的非线性薛定谔方程与旁轴菲涅尔衍射的公式相似，所以在光纤中色散导致的时间效应和空间中衍射导致的空间效应是类似的。空域泰伯效应是菲涅尔衍射的特殊情况，与此类似，时域泰伯效应的物理意义为周期性脉冲序列在经历了一定色散量的色散介质后会重复之前的脉冲序列的形式。与时分复用实现脉冲重复频率倍增的方法相比，使用泰伯效应实现重复频率倍频的装置较为简单只需要一个产生初始脉冲序列的锁模激光器和一个色散量适当的色散介质，且时域泰伯效应倍频后的脉冲序列有更加稳定脉冲间隔而且幅度大小更加一致。以上优势皆为传统重复频率倍增技术所不具备的，因此基于时域泰伯效应可用于实现高稳定的重复频率灵活倍增的全光纤激光器。
有益效果，本发明与现有重复频率倍增技术相比，基于时域泰伯效应的重复频率灵活倍增全光纤激光器的结构灵活简单，只需要一个产生初始脉冲序列的锁模激光器和一个色散量适当的色散介质。超快锁模种子源模块与重复频率倍增模块通过光纤跳线头直接对接，因此种子源可根据需要灵活调整。并且基于时域泰伯效应的重复频率倍频激光器可通过调整色散介质色散量与锁模脉冲周期比例关系实现激光器重复频率倍增系数N(N＝1，2，3……)灵活调控。此外，该方法产生的脉冲序列稳定性高、幅度大小更加一致。即使实际加入的色散量和最佳值有一定偏差也不会影响输出信号的频率。因此本发明可实现重复频率灵活倍增的超快锁模脉冲输出。
附图说明
图1为基于线性啁啾光纤光栅中时域泰伯效应的重复频率倍增主动锁模光纤激光器实施例1。
图2为基于线性啁啾光纤光栅中时域泰伯效应的重复频率倍增被动锁模光纤激光器实施例2。
图3为基于色散光纤中时域泰伯效应的重复频率倍增主动锁模光纤激光器实施例3。
图4为基于色散光纤中时域泰伯效应的重复频率倍增被动锁模光纤激光器实施例4。
图中：1、泵浦源，2、增益光纤，3、锁模器件，4、输出耦合器，5、光纤环形器，6、线性啁啾光纤光栅，7、电光调制器，8、可饱和吸收体，9、色散光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：基于线性啁啾光纤光栅中时域泰伯效应的重复频率倍增主动锁模光纤激光器的结构图如图1所示。该激光器由主动锁模光纤激光振荡器(a)与重复频率倍增模块(b)两部分构成。由于主动锁模通常工作在谐波锁模状态，因此主动锁模光纤激光振荡器(a)输出的超短锁模脉冲重复频率通常可在兆赫兹至吉赫兹量级调谐。泵浦源(1)选用为常用的连续工作半导体泵浦源，泵浦源输出波长应与增益光纤掺杂元素对应的吸收波段相对应，如掺铒光纤常对应泵浦源(1)输出波长为1微米波段；泵浦源(1)输出经功率放大后注入增益光纤(2)中，帮助激光器实现进一步实现粒子数反转，增益光纤(2)的掺杂元素主要由所需激射波段决定，常见可选的掺杂元素有掺镱、掺铒与掺铥等；增益光纤(2)输出端连接光纤输出耦合器(4)输入端，光纤输出耦合器(4)提供两个输出端口，部分激光输入用于实现主动锁模的带尾纤的电光调制器(7)，可选的电光调制器(7)种类有电光强度调制器与电光相位调制器，分别用于周期性调制谐振腔内损耗和相位，从而实现激光腔内模式锁定、输出超短的锁模脉冲。光纤输出耦合器(4)另一输出端口用于输出一定重复频率的超短脉冲种子光至重复频率倍增模块(b)，锁模光纤激光振荡器输出的超短脉冲经光纤环形器(5)1号口输入，2号口输出并注入线性啁啾光纤光栅(6)，通过选用合适色散量的光纤光栅，选取色散介质色散量与锁模脉冲周期比例关系实现激光器重复频率倍增系数N(N＝1，2，3……)灵活调控；激发介质中时域泰伯效应实现重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲经光栅反射后，最终从环形器3端口输出重复频率倍增超短锁模脉冲。时域泰伯效应实现光脉冲序列的重复频率倍频的方法较为简单。重复频率倍增模块中的光纤色散介质的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器输出脉冲周期T需满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000041
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数，如取N/m分别为1/3，2/3对应是重复频率倍增系数均为3倍。例如当取N＝1时，若种子源输出脉冲脉宽为8.5ps时，为分别获得重复频率为20、30、40、50GHz的(即m＝2、3、4、5)重频倍增超短激光输出，线性啁啾光纤光栅色散量需分别为618、413、310、248ps/nm。该系统重复频率倍增上限主要受限于种子脉冲脉宽与脉冲强度。
实施例2：基于线性啁啾光纤光栅中时域泰伯效应的重复频率倍增被动锁模光纤激光器的结构图如图2所示，该激光器由被动锁模光纤激光振荡器(a)与重复频率倍增模块(b)两部分构成。受限于光纤激光器腔长，被动锁模光纤激光振荡器(a)输出的超短锁模脉冲重复频率通常在兆赫兹量级。泵浦源(1)选用为常用的连续工作半导体泵浦源，泵浦源输出波长应与增益光纤掺杂元素对应的吸收波段相对应；泵浦源(1)输出经功率放大后注入增益光纤(2)中，帮助激光器实现进一步实现粒子数反转，增益光纤(2)的掺杂元素主要由所需激射波段决定，常见可选的掺杂元素有掺镱、掺铒与掺铥等；增益光纤(2)输出端连接光纤输出耦合器(4)输入端，光纤输出耦合器(4)提供两个输出端口，部分激光输入用于实现被动锁模的可饱和吸收体(8)，可选的可饱和吸收体(8)主要包括石墨烯、碳纳米管等，通过可保和吸收效应压缩脉宽，从而输出超短的锁模脉冲。光纤输出耦合器(4)另一输出端口用于输出一定重复频率的超短脉冲种子光至重复频率倍增模块(b)，经光纤环形器(5)1号口输入，2号口输出并注入线性啁啾光纤光栅(6)。通过选用合适色散量的光纤光栅，激发介质中时域泰伯效应实现重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲经光栅反射后，最终从环形器3端口输出重复频率倍增的超短锁模脉冲。时域泰伯效应实现光脉冲序列的重复频率倍频的方法较为简单。重复频率倍增模块中的光纤色散介质的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器输出脉冲周期T需满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000051
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数。
实施例3：基于色散光纤中时域泰伯效应的重复频率倍增主动锁模光纤激光器的结构图如图3所示，该激光器由主动锁模光纤激光振荡器(a)与重复频率倍增模块(b)两部分构成。泵浦源(1)选用为常用的连续工作半导体泵浦源，泵浦源输出波长应与增益光纤掺杂元素对应的吸收波段相对应，如掺铒光纤常对应泵浦源(1)输出波长为1微米波段；泵浦源(1)输出经功率放大后注入增益光纤(2)中，帮助激光器实现进一步实现粒子数反转，增益光纤(2)的掺杂元素主要由所需激射波段决定，常见可选的掺杂元素有掺镱、掺铒与掺铥等；增益光纤(2)输出端连接光纤输出耦合器(4)输入端，光纤输出耦合器(4)提供两个输出端口，部分激光输入用于实现主动锁模的带尾纤的电光调制器(7)，可选的电光调制器(7)种类有电光强度调制器与电光相位调制器，分别用于周期性调制谐振腔内损耗和相位，从而实现激光腔内模式锁定，输出超短的锁模脉冲。光纤输出耦合器(4)另一输出端口用于输出一定重复频率的超短脉冲种子光至色散光纤(9)。通过选用合适色散系数及长度的色散光纤，激发介质中时域泰伯效应实现重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲可直接从色散光纤尾纤输出。时域泰伯效应实现光脉冲序列的重复频率倍频的方法较为简单。重复频率倍增模块中的光纤色散介质的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器输出脉冲周期T需满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000061
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数，例如当取N＝1时，若种子源输出脉冲脉宽为8.5ps时，为分别获得重复频率为20、30、40、50GHz的(即m＝2、3、4、5)重频倍增超短激光输出，色散光纤色散量需分别为618、413、310、248ps/nm，若选用ThorlabsPM-DCF1550(-100ps/nm·km)，则对应的所需色散光纤长度为6.18、4.13、3.1、2.48km。
实施例4：基于色散光纤中时域泰伯效应的重复频率倍增被动锁模光纤激光器的结构图如图4所示，该激光器由被动锁模光纤激光振荡器(a)与重复频率倍增模块(b)两部分构成。受限于光纤激光器腔长，被动锁模光纤激光振荡器(a)输出的超短锁模脉冲重复频率通常在兆赫兹量级。泵浦源(1)选用为常用的连续工作半导体泵浦源，泵浦源输出波长应与增益光纤掺杂元素对应的吸收波段相对应；泵浦源(1)输出经功率放大后注入增益光纤(2)中，帮助激光器实现进一步实现粒子数反转，增益光纤(2)的掺杂元素主要由所需激射波段决定，常见可选的掺杂元素有掺镱、掺铒与掺铥等；增益光纤(2)输出端连接光纤输出耦合器(4)输入端，光纤输出耦合器(4)提供两个输出端口，部分激光输入用于实现被动锁模的可饱和吸收体(8)，可选的可饱和吸收体(8)主要包括石墨烯、碳纳米管等，通过可保和吸收效应压缩脉宽，从而输出超短的锁模脉冲。光纤输出耦合器(4)另一输出端口用于输出一定重复频率的超短脉冲种子光至色散光纤(9)。通过选用合适色散系数及长度的色散光纤，激发介质中时域泰伯效应实现重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲可直接从色散光纤尾纤输出。时域泰伯效应实现光脉冲序列的重复频率倍频的方法较为简单。重复频率倍增模块中的光纤色散介质的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器输出脉冲周期T需满足如下条件：
Figure GDA0002734388630000071
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，可根据所需重复频率灵活设定，但应保证N/m是不可约的有理数。
锁模器件(3)包括但不限于实施例中的电光调制器(7)可饱和吸收体(8)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种重复频率灵活倍增的全光纤激光器，其特征是，所述激光器由一个锁模光纤激光振荡器(a)与一个基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块(b)构成一个重复频率兆赫兹至百吉赫兹可调的全光纤超快锁模激光器；其中锁模光纤激光振荡器(a)先输出一定重复频率的稳定锁模脉冲，并通过光纤跳线头对准的方式注入基于时域泰伯效应的重复频率倍增模块(b)，在倍增模块中的色散可调谐光纤器件中激发时域泰伯效应实现重复频率倍增；重复频率倍增模块(b)由光纤环形器(5)与色散可调谐光纤器件(6)构成，锁模光纤激光振荡器输出的超短脉冲从光纤环形器1号口输入，2号口输出并注入色散可调谐光纤器件(6)，激发色散介质中的时域泰伯效应实现激光器重复频率倍增，重复频率倍增后的周期性脉冲最终从环形器3号口输出；
通过调整重复频率倍增模块(b)中色散介质色散量，或调整色散可调谐光纤器件色散与锁模脉冲周期比例关系可实现激光器重复频率倍增系数N(N＝1，2，3……)灵活调控；最终获得重复频率灵活倍增的全光纤超快锁模脉冲输出；
锁模光纤激光振荡器(a)由泵浦源(1)，增益光纤(2)，锁模器件(3)和输出耦合器(4)器件依次连接构成；
锁模光纤激光振荡器(a)选为主动谐波锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器或混合锁模光纤激光器；
重复频率倍增模块中的色散可调谐光纤器件(6)为线性啁啾光纤光栅或相应长度的色散光纤；通过调整色散可调谐光纤器件的色散介质色散量与锁模脉冲周期比例关系实现激光器重复频率倍增系数N调控；
重复频率倍增模块中的色散可调谐光纤器件(6)的群速度色散Φ与锁模光纤激光振荡器(a)输出脉冲周期T满足如下条件：
Figure FDA0003195159720000011
其中m是重复频率倍频因子，取值应为大于1的正整数，根据所需重复频率灵活设定，但保证N/m是不可约的有理数；重复频率倍增上限受限于种子脉冲脉宽与脉冲强度。
2.根据权利要求1所述的重复频率灵活倍增的全光纤激光器，其特征在于，其中色散光纤引入的为色度色散，通过剪切光纤长度调整色散；线性啁啾光纤光栅通过在光纤中刻入间距线性变化的光栅能使得不同波长的光在光栅中不同的地方达到反射极大，这样就在每条谱线上引入了一个和波长相关的时间偏移量，也就是不同的相位差；线性啁啾光纤光栅的色散量为固定值。
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